CN110986767A - 一种喀斯特洞穴石笋沉积监测方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种喀斯特洞穴石笋沉积监测方法，该方法包括步骤：选择三维扫描仪；布设标靶控制网；扫描仪架设在旋转架上扫描；对采集的图像进行点云拼接；石笋沉积监测周期为至少2个水文年；三维点云数据导入到3DReshaper第三方软件对监测石笋的高度和体积进行统计，根据逐月或季度数据和石笋沉积生长量绘制曲线；单根石笋取样求得平均密度，平均密度与体积变化相乘，得到监测石笋的沉积重量。本发明通过激光扫描仪监测石笋体积和高度的变化，体积与密度相乘，获得监测石笋沉积重量和高度，数据监测更精确，监测方法更简单，成本更低。

Description

一种喀斯特洞穴石笋沉积监测方法
技术领域
本发明属于石笋沉积监测技术领域，涉及一种喀斯特洞穴石笋沉积监测方法。
背景技术
喀斯特洞穴石笋是研究气候变化的重要载体。作为一种高分辨的古气候代用指标，石笋微层已经被广泛用来重建古气候，但是在石笋微层年代学和古气候学方面还有许多问题不是很清楚，需要在洞穴现代过程观测中寻找证据。其中，石笋的沉积生长速率是反映外界气候环境变化及洞穴内部地质背景条件变化的综合指标，是定量解释石笋气候指标的关键手段。因此，对洞穴现代碳酸盐沉积速率的研究具有重要意义。而对于现代碳酸盐沉积物的生长或沉积速率的研究相对较少，所采用的方法主要是在正在生长的石笋顶部放置盖玻片、灯泡等承接现代碳酸盐沉积，按月或季度取回在实验室称重对比前后质量变化，以监测石笋沉积速率的动态变化。该方式通过盖玻片、灯泡等模拟石笋表面生长环境，二者之间存在较大的差异：①表面较原生环境光滑；②承接面较原生表面大。这些因素容易造成滴溅水承接量增加、侧流减少等现象，导致监测数据偏离真实值，最为关键的是无法获取石笋沉积生长形态变化（如体量、生长高度等）指标。
发明内容
本发明要解决的技术问题是：提供一种非接触式的喀斯特洞穴石笋沉积监测方法，以解决现有技术中存在的问题。
本发明采取的技术方案为：一种喀斯特洞穴石笋沉积监测方法，该方法包括以下步骤：
（1）选择三维激光扫描仪：选择Leica三维扫描仪，扫描距离精度不小于1.2mm+10ppm；
（2）布设标靶控制网：反映石笋生长变化的区域主要集中在顶面，因此要确保顶面扫描无盲区，首先根据扫描单根石笋确定扫描区域，围绕扫描区域布设控制标靶，保证相邻架站之间至少有两个公共点，标靶布设要求上下、左右摆放错落，架站次数确保扫描石笋顶面盲区能够扫描，为提高多期数据对比准确性以及减少后期数据处理工作量，第一次扫描时将布设标靶固定，后期扫描均参照固定标靶进行扫描；
（3）扫描仪架设与石笋扫描：为提高多期扫描数据对比精度，沿监测区域固定旋转架并做好位置标记，将扫描仪安装在旋转架上进行扫描，使前后扫描时扫描仪的位置和高度大致保持一致，并扫描固定标靶，架站时调整扫描仪底部的调平架的旋钮使扫描仪处于水平位置（对中气泡居中），扫描时为减少数据噪音以及人为干扰，采用Remote Control viaApple的平板电脑进行远程操控，并在iPad Pro上实时查看扫描的进度和接收的数据；
（4）点云拼接：扫描完成后将图像数据导入Cyclone软件，在Cyclone软件中对点云数据以公共标靶为参照进行自动拼接，并检验数据误差，整体拼接误差控制在1mm以内；
（5）监测周期与扫描频次：石笋沉积监测周期为至少2个水文年，一般按月或季度进行多次扫描监测，获取连续的动态监测点云数据；
（6）石笋沉积动态监测分析：将不同月份或季度的三维激光点云数据通过LeicaCloudWorx插件加载到3DReshaper第三方软件中，对多期三维点云数据进行两两比较分析（月月之间、季度之间、年际变化等），根据软件中分析导入生成的三维模型的表面积、体积、生长高度的变化量，获得监测石笋的高度和体积变化量，并出相应的统计报表，根据逐月数据或季度数据和石笋沉积生长量绘制生长曲线；
可实现整体三维对比，既能通过两期数据的整体对比色谱分布反映表面积和体积变化，还能通过点位测量标记两期数据之间的沉积高度，并制作相应的统计报表或生长曲线，结果更加准确，也能避免了以点代面的弊端；
（7）石笋沉积质量变化监测：根据单根石笋进行平均取样，带回实验室进行密度试验，求得平均密度，与步骤（6）中获得的体积变化相乘，计算监测石笋的沉积质量，并制作相应的统计报表或变化曲线。
优选的，上述步骤（3）中旋转架包括环形转动板、十字交叉滚子轴承、内环齿轮、环形支撑台面、支撑腿和主动齿轮，环形支撑台面固定连接在多根支撑腿上，环形转动板通过十字交叉滚子轴承连接到环形支撑台面上，内环齿轮固定连接在环形转动板上且位于环形转动板内侧面处，主动齿轮与内环齿轮相啮合，主动齿轮固定连接在步进电机的电机轴上，步进电机定连接在环形支撑台面上。
优选的，上述每根支撑腿包括上套管和下嵌管，下嵌管上端插入到上套管内并在连接处采用锁定机构锁紧。
优选的，上述多根上套管采用上下两排加固环固定连接。
优选的，上述环形转动板上安装有固定板，固定板上设置有连接扫描仪接口。
优选的，上述环形支撑台面上安装有圆形光栅尺，环形光栅尺的读数头固定连接在环形转动板上。
优选的，上述锁定机构包括锁定螺母，上套管下端设置管螺纹部，管螺纹部设置U型缺口，锁定螺母螺旋连接在管螺纹部上。
优选的，上述步进电机连接到控制器，控制器连接有圆形光栅尺，控制器通过无线模块连接到便携式终端。
本发明的有益效果：与现有技术相比，本发明的效果如下：
1）发明通过绕监测石笋一周架设的旋转激光扫描仪，能够实现监测石笋体积和高度的变化，体积与密度相乘，获得监测石笋沉积重量和高度以及外形变化，数据监测更精确，监测方法更简单，成本更低，有效解决现有的方法存在的滴溅水承接量增加、侧流减少等现象、导致监测数据偏离真实值以及无法获取石笋沉积生长形态变化（如体量、生长高度等）指标的问题，标靶通过交错布置，拼接效率更高；
2）采用旋转架驱动扫描仪进行自动旋转，自动采集数据，采集数据更精确，避免人为干涉导致的误差大；
3）采用伸缩的支撑腿方便高度调节，从而让环形支撑台面适应洞穴内不平地面的放置且保持上端面水平，调节简单，收纳方便，携带容易，支撑腿5上端通过螺钉固定连接在环形支撑台面上。
附图说明
图1为旋转架结构示意图。
具体实施方式
下面结合附图及具体的实施例对发明进行进一步介绍。
实施例1：如图1所示，一种喀斯特洞穴石笋沉积监测方法，该方法包括以下步骤：
（1）选择三维激光扫描仪：选择Leica三维扫描仪，扫描距离精度不小于1.2mm+10ppm；
喀斯特洞穴石笋年生长量普遍较少（数毫米至数厘米），其微小形变一般不容易被监测，而高精度的三维激光扫描仪则可对其生长进行连续记录，通过点云比对计算出微小形变。因此，对三维激光扫描仪的精度要求就比较高。Leica P40及以上型号产品的距离精度高达1.2mm+10ppm，点位精度更是可以达到0.8mm@10m，可有效满足喀斯特洞穴石笋沉积监测要求；
（2）布设标靶控制网：选择常年滴水的石笋（即石笋常年一直生长），反映石笋生长变化的区域主要集中在顶面，因此要确保顶面扫描无盲区，首先根据扫描单根石笋来确定扫描区域，围绕扫描区域布设控制标靶，保证相邻架站之间至少有两个公共点，标靶布设要求上下、左右摆放错落（如标靶布置三个，周向间隔均匀布置，竖向交错布置），架站次数确保扫描石笋顶面盲区能够扫描，为提高多期数据对比准确性以及减少后期数据处理工作量，第一次扫描时将布设标靶固定，后期扫描均参照固定标靶进行扫描；
（3）扫描仪架设与石笋扫描：为提高多期扫描数据对比精度，沿监测区域固定旋转架并做好位置标记，将扫描仪安装在旋转架上进行扫描，使前后扫描时扫描仪的位置和高度大致保持一致，并扫描固定标靶，架站时调整扫描仪底部的调平架的旋钮使扫描仪处于水平位置（对中气泡居中），扫描时为减少数据噪音以及人为干扰，采用Remote Control viaApple的平板电脑进行远程操控，并在iPad Pro上实时查看扫描的进度和接收的数据；
（4）点云拼接：扫描完成后将图像数据导入Cyclone软件，在Cyclone软件中对点云数据以公共标靶为参照进行自动拼接，并检验数据误差，整体拼接误差控制在1mm以内；
（5）监测周期与扫描频次：石笋沉积监测周期为至少2个水文年，一般按月或季度进行多次扫描监测，获取连续的动态监测点云数据；
（6）石笋沉积动态监测分析：将不同月份或季度的三维激光点云数据通过LeicaCloudWorx插件加载到3DReshaper第三方软件中，对多期三维点云数据进行两两比较分析（月月之间、季度之间、年际变化等），根据软件中分析导入生成的三维模型的表面积、体积、生长高度的变化量，获得监测石笋的高度和体积变化量，并出相应的统计报表，根据逐月数据或季度数据和石笋沉积生长量绘制生长曲线；
可实现整体三维对比，既能通过两期数据的整体对比色谱分布反映表面积和体积变化，还能通过点位测量标记两期数据之间的沉积高度，并制作相应的统计报表或生长曲线，结果更加准确，也能避免了以点代面的弊端；
（7）石笋沉积质量变化监测：根据单根石笋进行平均取样，带回实验室进行密度试验，求得平均密度，与步骤（6）中获得的体积变化相乘，计算监测石笋的沉积质量，并制作相应的统计报表或变化曲线。
优选的，上述步骤（3）中旋转架包括环形转动板1、十字交叉滚子轴承2、内环齿轮3、环形支撑台面4、支撑腿5和主动齿轮7，环形支撑台面4固定连接在多根支撑腿5上，环形转动板1通过十字交叉滚子轴承2连接到环形支撑台面4上，环形转动板1固定连接在十字交叉滚子轴承2的内环上，十字交叉滚子轴承2的外环固定连接在环形支撑台面4上，内环齿轮3固定连接在环形转动板1上且位于环形转动板1内侧面处，主动齿轮7与内环齿轮3相啮合，主动齿轮7固定连接在步进电机8的电机轴上，步进电机8通过电机架15固定连接在环形支撑台面4上。
优选的，上述每根支撑腿5包括上套管9和下嵌管10，下嵌管10上端插入到上套管9内并在连接处采用锁定机构锁紧，伸缩的支撑腿方便高度调节，从而让环形支撑台面适应洞穴内不平地面的放置且保持上端面水平，调节简单，收纳方便，携带容易，支撑腿5上端通过螺钉固定连接在环形支撑台面上。
优选的，上述多根上套管9采用上下两排加固环11固定连接，提高上套管的支撑稳定性。
优选的，上述环形转动板1上安装有固定板6，固定板6固定连接调平架18底端，调平架18连接在扫描仪17的接口上，调平架为Leica P40三维扫描仪配套的，安装三维扫描仪后进行调平使用，便于扫描仪的快速安装和拆卸，支撑稳定可靠。
优选的，上述环形支撑台面4上安装有圆形光栅尺12，环形光栅尺12的读数头通过支架16固定连接在环形转动板1上，设置圆形光栅尺，便于控制环形转动板匀速转动，提高扫描精度。
优选的，上述锁定机构包括锁定螺母13，上套管9下端设置管螺纹部，管螺纹部设置U型缺口14，锁定螺母13螺旋连接在管螺纹部上，锁定机构简单，锁定方便快捷。
优选的，上述步进电机8连接到控制器，控制器连接有圆形光栅尺12，控制器通过无线模块连接到便携式终端，能够实现远距离或远程操作，控制器还连接有摄像头，摄像头安装在扫描仪顶端，便于远程查看洞穴内部监测石笋周围情况。
以上所述，仅为本发明的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内，因此，本发明的保护范围应以所述权利要求的保护范围为准。

Claims (8)

1.一种喀斯特洞穴石笋沉积监测方法，其特征在于：该方法包括以下步骤：
（1）选择三维激光扫描仪：选择Leica三维扫描仪，扫描距离精度不小于1.2mm+10ppm；
（2）布设标靶控制网：首先根据扫描单根石笋确定扫描区域，围绕扫描区域布设控制标靶，保证相邻架站之间至少有两个公共点，标靶布设要求上下、左右摆放错落，架站次数确保扫描石笋顶面盲区能够扫描，为提高多期数据对比准确性以及减少后期数据处理工作量，第一次扫描时将布设标靶固定，后期扫描均参照固定标靶进行扫描；
（3）扫描仪架设与石笋扫描：沿监测区域固定旋转架并做好位置标记，将扫描仪安装在旋转架上进行扫描，并扫描固定标靶，架站时调整扫描仪底部的调平架的旋钮使扫描仪处于水平位置，扫描时采用Remote Control via Apple的平板电脑进行远程操控，并在iPadPro上实时查看扫描的进度和接收的数据；
（4）点云拼接：扫描完成后将图像数据导入Cyclone软件，在Cyclone软件中对点云数据以公共标靶为参照进行自动拼接，并检验数据误差，整体拼接误差控制在1mm以内；
（5）监测周期与扫描频次：石笋沉积监测周期为至少2个水文年，一般按月或季度进行多次扫描监测，获取连续的动态监测点云数据；
（6）石笋沉积动态监测分析：将不同月份或季度的三维激光点云数据通过LeicaCloudWorx插件加载到3DReshaper第三方软件中，对多期三维点云数据进行两两比较分析，根据软件中分析导入生成的三维模型的表面积、体积、生长高度的变化量，获得监测石笋的高度和体积变化量，并出相应的统计报表，根据逐月数据或季度数据和石笋沉积生长量绘制生长曲线；
（7）石笋沉积质量变化监测：根据单根石笋进行平均取样，带回实验室进行密度试验，求得平均密度，与步骤（6）中获得的体积变化相乘，计算监测石笋的沉积质量，并制作相应的统计报表或变化曲线。
2.根据权利要求1所述的一种喀斯特洞穴石笋沉积监测方法，其特征在于：步骤（3）中旋转架包括环形转动板（1）、十字交叉滚子轴承（2）、内环齿轮（3）、环形支撑台面（4）、支撑腿（5）和主动齿轮（7），环形支撑台面（4）固定连接在多根支撑腿（5）上，环形转动板（1）通过十字交叉滚子轴承（2）连接到环形支撑台面（4）上，内环齿轮（3）固定连接在环形转动板（1）上且位于环形转动板（1）内侧面处，主动齿轮（7）与内环齿轮（3）相啮合，主动齿轮（7）固定连接在步进电机（8）的电机轴上，步进电机（8）固定连接在环形支撑台面（4）上。
3.根据权利要求2所述的一种喀斯特洞穴石笋沉积监测方法，其特征在于：每根支撑腿（5）包括上套管（9）和下嵌管（10），下嵌管（10）上端插入到上套管（9）内并在连接处采用锁定机构锁紧。
4.根据权利要求3所述的一种喀斯特洞穴石笋沉积监测方法，其特征在于：多根上套管（9）采用上下两排加固环（11）固定连接。
5.根据权利要求1所述的一种喀斯特洞穴石笋沉积监测方法，其特征在于：环形转动板（1）上安装有固定板（6），固定板（6）上设置有连接扫描仪接口。
6.根据权利要求1所述的一种喀斯特洞穴石笋沉积监测方法，其特征在于：环形支撑台面（4）上安装有圆形光栅尺（12），环形光栅尺（12）的读数头固定连接在环形转动板（1）上。
7.根据权利要求2所述的一种喀斯特洞穴石笋沉积监测方法，其特征在于：锁定机构包括锁定螺母（13），上套管（9）下端设置管螺纹部，管螺纹部设置U型缺口（14），锁定螺母（13）螺旋连接在管螺纹部上。
8.根据权利要求1所述的一种喀斯特洞穴石笋沉积监测方法，其特征在于：步进电机（8）连接到控制器，控制器连接有圆形光栅尺（12），控制器通过无线模块连接到便携式终端。
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